一、 目的和意义

近十年来，我国城市电网中大量采用 XLPE 电力电缆输配电。交联电缆在当 前中国乃至世界的电力系统中有着至关重要的地位，在 220kV 以下的领域已经全 面取代其他电缆，成为城市内传输电力的主导产品，500kV 的交联聚乙烯电力电 缆也开始挂网试运行，我国的电力设备制造能力有了很大的进步。

在 60 年代初问世以来的 40 余年中，由于交联聚乙烯 (XLPE) 电缆具有良好 的电性能和热性能并且结构简单，制造周期短，工作耐受温度高，无油，敷设方 便，供电安全可靠、有利于美化城市等优点，因而被广泛应用于电力系统的各个 电压等级中，但是这种电缆的绝缘结构中往往会由于加工技术上的难度或原材料 不纯而存在气隙和有害性杂质，或者由于工艺原因在绝缘与半导电屏蔽层之间存 在间隙或半导电体向绝缘层突出，在这些气隙和杂质尖端处极易产生局部放电， 同时在电力电缆的安装和运行过程当中也可能会产生各种绝缘缺陷导致局部放 电。当它使用到一定年限后局部放电继续发展到一定程度导致绝缘击穿而造成电 网事故，其主要原因是由于 XLPE 等挤塑型绝缘材料耐放电性较差，在局部放电 的长期作用下，绝缘材料不断老化最终导致绝缘击穿，造成严重事故。因而对交 联聚乙烯电缆绝缘缺陷局部放电检测方法的研究就显得尤为迫切，及时、准确地 检测到电缆绝缘隐患，就可以及时采取必要的应对措施，减少突发事故等带来的 经济损失具有十分重要的现实意义。

因此对电力电缆及其接头进行局部放电检测和定位研究有着重要的意义和 经济价值。IEC 及世界各国都制定了相关的局部放电测试标准，通过对局部放电 的检测及时发现绝缘系统中的薄弱环节，找出故障原因，保证电力电缆质量，保 障电力系统安全可靠运行。国际大电网 (CIGRE) 也在 2009 年成立了电缆及接头 现场局放检测技术的工作组，对该方面技术发展进行研究梳理。

局部放电是电力电缆运行中的一个较大的安全隐患，是电缆绝缘劣化的征 兆，也是造成绝缘劣化的重要原因之一，局部放电测量用于现场测量时，外部噪 声干扰严重，测量很困难。DAC 电缆振荡波局放检测及故障定位系统是基于变频 谐振的阻尼振荡波电压下的 XLPE 电缆局部放电现场检测及定位技术研究，设计 生产符合现场测试要求的阻尼振荡波电源；针对 XLPE 电缆及其接头中局部放电 信号的传播方式和规律，研究电缆及其接头局部放电信号的提取技术，设计符合 现场测试要求、参数优化、性能良好的局放检测传感器，并选用先进的数字信号 处理方法对测试数据进行分析处理，进而进行 XLPE 电力电缆局部放电的准确定 位，为更准确判断电缆及其接头绝缘状况提供参考依据。

本设备可用于 10kV 及以上电力电缆进行现场交流耐压试验、局部放电现场 检测及故障定位。本系统满足目前电力系统市场需求和现运行的电缆基本都进入 “中年期”需要及时的检测和维修，本设备将耐压试验、局放检测、故障定位等 功能集一身，极大的简化了系统设备运输、现场试验安装、降低了试验成本。带 来丰厚的经济效益和科研价值。

二、 国内外研究水平综述

局部放电试验是挤塑型绝缘电力电缆非破坏性电气检验的主要项目，其与电 力电缆绝缘状况密切相关，预示着电缆绝缘存在可能危及电缆安全运行寿命的缺 陷，也是被国内外的专家学者以及 IEEE、IEC、CIGRE 等国际电力权威机构组织 一致推荐的评价XLPE 电缆绝缘状况的最佳试验方法。从上世纪 50 年代后期开始， 世界各国纷纷致力于高灵敏度、宽频带放大检测器的开发来对电缆绝缘进行局部 放电测量。

局部放电的发生会伴随着很多物理、化学效应，并产生相应的声、光、热以 及放电生成物等。以局部放电所产生的各种现象为依据，通过能表述该现象的物 理量的测量来表征局部放电的状态。至今，国内外出现的电缆局部放电测试方法 主要有脉冲电流法、无线电干扰电压法 (简称 RIV 法)、差分法、方向耦合法、 电容耦合法、电感耦合法、超声波检测法等。IEC 及世界各国都制定了电缆相关 的局部放电测试标准，如 IEC60885-3 (对应的国标为 GB/T3048.12-94) 推荐的 脉冲电流法，可对电缆进行定量检测。

对电力电缆及其接头进行局部放电检测和定位研究有着非常重要的意义和 经济价值。通过对局部放电的测量及时发现绝缘系统中的薄弱环节，找出故障原 因，保证电力电缆质量，保障电力系统安全可靠运行。国际大电网 (CIGRE) 也 在 2009 年成立了电缆及接头现场局部放电检测技术的工作组，对该方面技术发 展进行研究。

局部放电是电力电缆运行中的一个较大的安全隐患，是电缆绝缘劣化的重要 征兆，也是造成绝缘老化的重要原因之一。电力电缆局部放电现场测量时，由于 环境复杂，外部噪声干扰严重，测量会比出厂实验时困难许多。尤其是在离线状 态下对电力电缆进行局部放电测量时，就必须有便携式电源对其进行施压。目前 国内外开展的局部放电现场检测的电源类型主要有：工频正弦波电源，超低频电 源和阻尼振荡波电压源。针对以上三种电源方式下相应的局部放电检测主要为： 工频正弦波电压下的 PD 检测、超低频电压下的PD 检测和阻尼振荡波电压下的 PD 检测 (Damped AC Voltage Testing，简称 DAC)。

2.1 工频电压下局放检测设备

工频电压下局放检测设备是最理想的试验设备，但在试验时需要有很大功率 的设备才能进行，这便造成了所需试验电源质量和体积的增大，当电缆较长时因 设备太笨重便无法实施 PD 检测，因而电力电缆在工频电压下的 PD 现场检测较为 困难。工频电压下检测设备的笨重，不易现场检测。

2.2 超低频电压下局放检测设备

超低频电压下的局部放电测试中所用的超低频电源为 0.1Hz 正弦波电源，此 电源理论上可以将试验变压器的容量降低到 1/500，因而试验变压器的重量可大 大降低，可以较容易地移动到现场进行试验。超低频电源可长期对被试电缆施加 恒定电压，始终为 0.1Hz 正弦波，波形没有毛刺且光滑，电压幅值恒定且不随时 间变化，因而其用在中、低压电力电缆的耐压试验和介损试验较多，能够在较低 的电压下有效地发现 XLPE 绝缘电力电缆受潮和存在水树枝的运行缺陷。超低频 电压下电缆的 PD 检测应用较少，其测试结果也备受质疑。超低频检测结果的可 信度及对电缆的损伤。

2.3 直流阻尼振荡波电压下局放检测设备

阻尼振荡波电压法是近年来国内外研究较多的一种用于 XLPE 电力电缆局部 放电现场检测和定位的方法，它是由荷兰代尔夫特大学学者研究提出。该方法具 有：与交流电源法等效性好、作用时间短、操作方便、易于携带、可有效检测 XLPE 电缆中的各种缺陷，且试验不会对电缆造成损害等特点。

但是采用直流对 XLPE 电缆进行充电，就会存在许多问题。直流电压下绝缘 老化的机理和交流电压下的老化机理不相同，在直流电压下 XLPE 电缆会产生“记 忆”效应，并存储积累单极性残余电荷，使得电缆上的电压值远远超过其额定电 压，从而有可能导致电缆绝缘击穿。直流试验时，如果在试验时电缆终端头发生 表面闪络或电缆附件击穿，会造成电缆芯线上产生波振荡，在已积聚空间电荷的 地点，由于振荡电压极性迅速改变为异极性，使该处电场强度显著增大，可能损 坏绝缘，造成多点击穿。XLPE 电缆绝缘内易产生水树枝，在直流电压下会迅速 转变为电树枝，并形成放电，加速了绝缘劣化，以至于运行后在工频电压作用下 形成击穿。结合以上四点因素，即使直流冲击高压发生器对 XLPE 电缆直流充电 时间较短，其安全性还是有待进一步考量。

2.4 DAC 阻尼振荡波电压下局放检测设备

综合上述电缆 PD 检测的方法优缺点。研制出基于变频谐振的阻尼振荡波电 压下 XLPE 电缆现场局部放电检测及定位系统。

有效解决了：

工频电压下检测设备的笨重，不易现场检测。

超低频检测结果的可信度及对电缆的损伤。

直流 DAC 对电缆引起的不安全性。

既可以完成交流耐压试验，又实现了局放测试及故障定位。

三、 系统工作原理

3.1.局部放电的测量

局部放电测试是评估电力电缆绝缘质量的重要方法，特别是挤出型绝缘材料 的电缆。由于电缆的绝缘结构中往往会由于加工技术上的难度或原材料不纯而存 在气隙和有害性杂质，或者由于工艺原因，在绝缘与半导电屏蔽层之间存在间隙 或半导电体向绝缘层突出，在这些气隙和杂质尖端处极易产生局部放电，同时在 电力电缆的安装和运行过程当中也可能会产生各种绝缘缺陷导致局部放电。

由于 XLPE 电缆及接头局部放电信号微弱，波形复杂多变，极易被背景噪声 和外界电磁干扰噪声淹没，所以研究怎样有效提取真实不失真的局部放电信号具 有较大难度。本系统所使用的耦合单元 (检测阻抗) 能真实有效的耦合到局部放 电信号，对试验电压的工频及其谐振的低频信号则予以抑制或滤除。

3.2 DAC 串联谐振电源

DAC 串联谐振电源由油浸式高压电抗器、励磁变压器、分压器及采样单元、 电源主机及分析系统等组成。如图 3-1 DAC 系统设备图所示。

3.3 DAC 局放检测及定位系统工作原理

如图 3-2 所示，由供电线路或发电机输入 220V 的交流电压，经过电源主机 转变成频率、幅值可调节的方波电压，再通过励磁变压器升压，通过改变激励强 度使得被试电缆到达预定电压。当电源控制主机给出产生振荡波的信号时，是系 统 RLC 回路短路，则在被测试品电缆上产生阻尼振荡波电压，可通过局放检测 阻抗传感器耦合电缆上的局放信号，经宽频放大器放大、滤波，最后由数据采集 卡进行阻尼振荡波电压信号、电缆局部放电数据的同步采集，并把数据暂存在工 控机上，最后由外部笔记本命令将数据从工控机上传回到笔记本上进行分析、处 理。

3.4 项目研究的关键和难点

(1) 本项目的技术难点是如何对变频谐振电压进行有效的控制，使得电压波 形满足现场测量要求。基于变频谐振产生阻尼振荡波电压尚属首次，所以没有以 往先例所循。

(2)现场检测环境复杂，需要对现场干扰情况进行分析。实现强电磁干扰环 境下的微弱信号提取。需要对抗干扰的软件算法进行研究。

(3)实现原始放电波形信号的高速数据采集，进而为 PD 信号的定位提供基 础。

(4)对局部放电信号进行定位的分析技术，需要利用相关分析等技术进行， 提高定位的准确率。

• 1) 本系统适用于 220kV 及以下电压等级电缆 PD 现场检测及定位。

  2) 本系统采集部分实现无线数据采集，增强了系统和操作人员的安全性。

  3) 本系统提供参数设置模块、信号采集模块、数据分析及谱图显示、数据 存储、离线数据回看、分析、处理计算放电位置，可对局放故障进行定位。

  4) 本系统提供放电谱图、故障定位谱图、放电相位谱图、放电次数谱图、 放电类型识别等功能。

  5) 本系统具有数字滤波、动态阈值、小波分析、时延鉴别、相关分析等抗 干扰功能，可根据信号特征，对放电脉冲和干扰脉冲进行取舍和鉴别，以及通过 简单模式识别进行 PD 类型识别。

  6) 本系统根据阻尼振荡电压波形与局部放电信号关系图以及定位谱图确定 局部放电的类型，对电缆的整体绝缘状况和寿命做更有效的评估和预测。

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企业产品严格按照国际、国家标准及行业规程生产，通过国家、各省级、市级电力研究所、计量中心及电力权威部门的检测，全面通过ISO9001国际质量管理体系认证、中华人民共和国制造计量器具许可证。